喷吹铁水脱硫过程中气液两相数值模拟研究

曹兴平 王长勇 杜海涛

（1：北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京100029；2：固安金科源机电自动化有限公司 河北固安065500）

1 前言

随着工业社会对钢材的高品质需求，生产高品质、高附加值钢种技术已经成为钢铁企业的核心竞争力。现代钢铁工业典型优化生产工艺流程为“高炉炼铁－铁水脱硫－转炉炼钢－炉外精炼－连铸连轧”，其中，经济高效的铁水脱硫是其重要环节之一。喷吹脱硫法能够满足现代钢铁工业对深脱硫、高效率、少渣量、小温降的要求，被现代钢铁企业广泛应用。在喷吹铁水脱硫中，脱硫剂在铁水中的流动是决定脱硫效率和脱硫效果的关键因素，喷枪在铁水包中的位置对脱硫剂在铁水中的流动具有重要影响。

喷吹脱硫法中，氮气携带着脱硫剂进入到铁水中具有两个重要目的，一是将脱硫剂带入到铁水中；二是强化铁水的扰动，增加硫与脱硫剂的接触几率，提高反应速率和脱硫效果。载气对铁水的搅拌、脱硫剂在铁水中的运动等流动过程，都将直接影响脱硫效果。从气－液两相流出发，忽略脱硫剂与硫的化学反应，建立数学模型，在ANSYS平台上数值模拟铁水包中铁水和氮气的流动行为，分析铁水和氮气在质量、动量上的相互作用，探讨锥形喷枪在三个不同深度时对铁水包内气液两相流动的影响，为工程实际确定合适的锥形喷枪深度提供坚实的理论基础。

2 数学物理模型的建立

图1为采用锥形喷枪脱硫的铁水包三维模型，使脱硫喷枪深入铁水包内距离包底为100mm、200mm 和300mm，建立1／4个铁水包的物理模型。

忽略脱硫反应以及脱硫剂颗粒对流动的影响，主要分析铁水包内的气液两相的流动与传质过程。采用多相流模型中的Eulerian模型来模拟喷吹过程，选用κ－ε双方程模型计算流体的湍动过程，以铁水为主相，氮气为第二相，各相数学模型包括连续方程、动量方程、湍流动能方程和湍流耗散方程。

图1 锥形喷枪1／4物理模型图

3 仿真结果与分析

根据上述数学物理模型，对采用锥形喷枪脱硫的铁水包内的流动情况进行了数值仿真。初始时刻铁水包净空高为500mm，入口氮气温度为常温（小于40℃），流量为40Nm3／h，工 作 压 力 表 压 为0.5MPa。铁 水 温 度 为1300℃，密度为7100kg／m3，粘度为0.006Pa·S。

对采用距包底不同距离锥形喷枪脱硫的铁水包内气液两相的流动情况进行数值仿真，喷枪均采用1／4物理模型，表1为铁水包数值仿真参数对比。

表1 铁水包数值仿真参数表

3.1 算例1— 喷枪距离包底100mm

图2 算例1铁水包内压力分布图

图2为采用距离包底100mm 锥形喷枪脱硫的铁水包内压力云图。从图中可以看出，为克服流动阻力，在喷枪锥形区域，压力由锥顶到锥底逐渐降低。

图3 算例1z＝0截面上y 方向速度流线图

图3为采用距离包底100mm 锥形喷枪脱硫的铁水包在z＝0截面上y 方向速度流线图。从图中可以看出，铁水包底部和上部出现较为强烈的漩涡，说明喷枪对包底的铁水有较强的扰动作用。

图4 算例1铁水包内氮气体积分数分布图

图4为采用距离包底100mm 锥形喷枪脱硫的铁水包内氮气的体积分数云图。从图中可以看出，气液分界面处波动不明显，说明锥形喷枪对气体的均布具有很好效果。

图5为采用距离包底100mm 锥形喷枪脱硫的铁水包内x＝0截面上距包底距离不同处铁水在y 方向上的速度对比，距包底距离分别为100mm、200mm 和300mm。从图中可以看出，三条曲线基本吻合，气体对喷枪附近的铁水扰动较为明显，而对远离喷枪区域的铁水扰动效果较弱。

图6为采用距离包底100mm 锥形喷枪脱硫的铁水包内x＝0截面上距包底距离不同处铁水在z方向上的速度对比，距包底距离分别为100mm、200mm 和300mm。从图中可以看出，距包底100mm 处铁水的z向速度波动最大，说明喷枪对铁水包底部的扰动作用明显。从z＝－0.5到铁水包壁面速度几乎为0，说明气体喷射的扰动范围有限。

图5 算例1x＝0截面上距包底距离不同处铁水在y 方向上的速度对比

图6 算例1x＝0截面上距包底距离不同处铁水在z 方向上的速度对比

3.2 算例2—喷枪距离包底200mm

图7为采用距离包底200mm 锥形喷枪脱硫的铁水包内压力云图。从图中可以看出，与算例1类似，为克服流动阻力，在喷枪锥形区域，压力由锥顶到锥底逐渐降低。

图7 算例2铁水包内压力分布图

图8 算例2某截面上y 方向速度流线图

图8为采用距离包底200mm 锥形喷枪脱硫的铁水包在z＝0截面上y 方向速度流线图。从图中可以看出，铁水包中下部出现很明显的强烈的漩涡。与算例1相比，出现了大尺度的漩涡，说明气体喷射对铁水的扰动作用很强烈。

图9为采用距离包底200mm 锥形喷枪脱硫的铁水包内氮气的体积分数云图。从图中可以看出，算例2气液分界面较算例1波动明显，且气相的分布范围明显比算例1大，说明气体喷射对铁水的扰动作用较算例1大。

图10为采用距离包底200mm 锥形喷枪脱硫的铁水包内x＝0截面上距包底距离不同处铁水在y 方向上的速度对比，距包底距离分别为100mm、200mm 和300mm。从图中可以看出，距包底300mm 处铁水的y 正方向速度最大。

图11为采用距离包底200mm 锥形喷枪脱硫的铁水包内x＝0截面上距包底距离不同处铁水在z方向上的速度对比，距包底距离分别为100mm、200mm 和300mm。从图中可以看出，距包底300mm 处铁水的z 正方向速度最大，大于算例1，且没有出现算例1中从z＝－0.5到铁水包壁面速度几乎一直为0的情况，说明气体喷射对铁水的扰动范围较算例1大。

图10 算例2x＝0截面上距包底距离不同处铁水在y 方向上的速度对比

图11 算例2x＝0截面上距包底距离不同处铁水在z 方向上的速度对比

3.3 算例3—喷枪距离包底300mm

图12为采用距离包底300mm 锥形喷枪脱硫的铁水包内压力云图。从图中可以看出，算例1和算例2类似，为克服流动阻力，在喷枪锥形区域，压力由锥顶到锥底逐渐降低，但压降明显小于算例1和算例2。

图12 算例3铁水包内压力分布图

图13 算例3某截面上y 方向速度流线图

图13为采用距离包底300mm 锥形喷枪脱硫的铁水包在z＝0截面上y 方向速度流线图。从图中可以看出，与算例1类似，铁水包的底部和上部出现较为强烈的漩涡，说明喷枪对包底的铁水有一定的扰动作用。

图14为采用距离包底300mm 锥形喷枪脱硫的铁水包内氮气的体积分数云图。从图中可以看出，气液分界面处波动不明显，锥体底部气液掺混不如算例1 和算例2强烈。

图14 算例3铁水包内氮气体积分数分布图

图15 算例3x＝0截面上距包底距离不同处铁水在y 方向上的速度对比

图15为采用距离包底300mm 锥形喷枪脱硫的铁水包内x＝0截面上距包底距离不同处铁水在y 方向上的速度对比，距包底距离分别为100mm、200mm 和300mm。从图中可以看出，气体对喷枪附近的铁水扰动具有较强的效果，对远离喷枪区域的铁水扰动作用较小。

图16为采用距离包底300mm 锥形喷枪脱硫的铁水包内x＝0截面上距包底距离不同处铁水在z方向上的速度对比，距包底距离分别为100mm、200mm 和300mm。从图中可以看出，气体喷射对铁水包底部的扰动具有一定的效果。

图16 算例3x＝0截面上距包底距离不同处铁水在z 方向上的速度对比

4 结论

1）对采用锥形喷枪脱硫的铁水包内部的气液两相流动过程建立数学模型，模型考虑了氮气和铁水在质量、动量上的相互作用，并对气体和铁水的两相流动进行了求解。

2）通过数值仿真能够较为详细地了解铁水包内部的流动情况，获得铁水包内部气液两相的压力场、流场和气液组分场，分析了铁水包内的压力损失、速度和氮气体积分数的分布。

3）对于采用锥形喷枪脱硫的铁水包，喷枪距离铁水包底部200mm 时对铁水的扰动作用优于距包底100mm 和300mm，喷枪处于此位置时脱硫效果更好。

［1］王楠，利兵.决定铁水包喷粉脱硫效率的三个基本参数［J］.钢铁研究学报，2000（12）增刊：10－15.

［2］赵沛，成国光，沈匙.炉外精炼及铁水预处理实用技术手册［M］.北京：冶金工业出版社，2004.

［3］张玉柱，艾立群.钢铁冶金过程中的数学解析与模拟［M］.北京：冶金工业出版社，1997.